Overlay是IC製造中的關鍵參數之,其意義是當層與前層圖案(pattern)間對準的精準度(圖1)。 各層元件之間的電路連結,例如從電晶體到接觸點到導電連接,都取決於各層pattern間的精確對準,且減少overlay誤差對於提高產量和可靠性,並且確保元件符合性能規格而言非常重要。

20181115TA71P1 圖1 Overlay是指將當層pattern與前層pattern對齊的精準度;Overlay誤差是兩個pattern特徵之間的錯位度量。

為了在20奈米(nm)線寬以下的產品生產中使用193i微影設備,IC製造商一直採用多重微影技術,包括間距分割(pitch splitting)和空間層技術(spacer techniques)。Pitch splitting包括double/triple patterning(例如:微影-蝕刻-微影-蝕刻,LELE),而spacer techniques包括自動對準的double patterning和quadruple patterning(SADP,SAQP)。這些多重微影技術大大增加了overlay的複雜性:除了實現層與層之間pattern對準的準確度之外,精確的層內pattern的對準也很重要(圖2)。總體而言,overlay控制越來越複雜,Overlay的容許誤差也隨著線寬的縮減以及與多重微影相關的光罩數量增加而變得越來越小(圖3)。

20181115TA71P2 圖2 使用多重曝光時,overlay控制變得更加複雜,驗證pattern是否與前層或同層已微影的pattern特徵正確對齊非常必要。

隨著產品線寬不斷縮減,所有主要的半導體製造商都積極參與EUV微影技術(EUVL)的進一步開發,以實現在2019~2020年將該技術投入量產。為了實現更小的元件pattern間距,EUV微影儀所採用的短波長至關重要,EUVL對於降低先進製程的複雜性也十分必要,因為採用該技術晶圓廠就可以使用單次微影取代目前需要多次微影的一些製程(圖3),這樣既減少了光罩數量,又降低了overlay的複雜性。雖然業界在準備EUVL量產方面繼續取得不少進展,但仍有許多需要解決的挑戰,其中包括了解微微影技術的轉變會對overlay產生何種影響。本文將針對向EUVL轉型概述一些相關的可預見的overlay挑戰。

20181115TA71P3 圖3 顯示用於不斷縮減的設計線寬(藍色和紫色條)的微影光罩的估計數量,以及不同製程技術(橙色線)的overlay允許誤差。於20nm以下的製程時,IC製造商實施了多重pattern化(MP)技術,從而增加了元件生產所需的光罩數目,這使得overlay允許誤差更小並增加了overlay控制的複雜性。在7nm和5nm製程上引入EUVL將在多個製程層上允許使用單次微影,並取代目前的多重微影技術,這將減少光罩(紫色條)的數量和overlay控制的複雜性,但是,設計線寬持續的縮小仍將持續減低最大的overlay允許誤差。(資料來源:KLA-Tencor。所顯示的數據假定採用先進的SoC BEOL Mx層數,7nm節點的低風險EUV實施,5nm節點更為激進的EUV實施,所有pattern化都採用1D佈局。)

Mix-and-Match Overlay

對於當前製程流程中使用193i微影的的關鍵層,給定的晶圓的pattern層採用同一個曝光儀中在同一個chuck上進行印製,使用這種微影方式實現的overlay精準度稱為dedicated chuck overlay(DCO)。使用專用曝光儀和chuck進行微影可減少不同曝光儀和chuck之間的失真效應,並可以使得DCO overlay誤差小於1nm,當EUVL首次投入量產中時可能會先用在Cut-Mask 或是Contact-Metal等製程站點。

所有其他製程層將使用193i曝光儀進行pattern化,這種混搭曝光儀的做法讓採用指定曝光儀和指定chuck以達到高overlay精準度規格的可能性不復存在。相反,晶圓廠將被迫最佳化混搭overlay(MMO),即在給定的晶圓上使用不同的曝光儀印製不同的製程層的overlay精準度。以高階DRAM和邏輯電路的overlay規格約為2.5nm為例,晶圓廠需要實施嚴格的193i至EUV曝光器匹配策略,否則將面臨在MMO上就消耗掉60~100%的overlay容許誤差的風險。此外,晶圓廠將需要實施密集的in-field overlay測量來監控MMO的性能。

熱效應

對於EUV曝光儀中,迷光(stray light)將會是一個挑戰。 尤其是在印刷晶片的曝光序列中,紅外線(IR)會加熱元件,當受熱時,矽稍微膨脹,這可能導致輕微的pattern變化並表現為overlay誤差。隨著EUVL開發工作的不斷演進,在晶圓曝光時characterize overlay將非常重要,在曝光的時候,overlay誤差和所需的overlay校正會發生變化嗎?這些熱效應是否會導致需要額外的higher order field term來進行overlay補正?雖然了解熱變化對overlay的影響很重要,但了解曝光過程中曝光儀的熱變化,透鏡受熱影響等其他基本要素也很重要——它們是否具有重複性且可以加以控制?

對焦變化

EUVL可能會產生與對焦控制相關的overlay問題。EUVL擁有比193i更大的focus window,很可能導致更大的跨wafer和跨field的focus變化,這可能會產生非線性overlay誤差,需要針對每次曝光進行更高階的特定補正,EUVL光罩也會失去telecentricity,這可能會導致晶片上不同特徵的最佳focus稍有不同。此外,EUVL光罩的背面顆粒缺陷可能會引起局部對焦誤差,這將需要在生產過程中對光罩背面進行監測,這些局部的對焦誤差和變化可能導致overlay問題。

Overlay測量主要在位於晶片劃片區域的target上執行,因此,EUVL光罩的背面缺陷與telecentricity的耦合會導致target和元件pattern的最佳焦點不同,這將推動overlay target設計的創新需求,以便設計能正確地反映元件性能。最後,EUV曝光儀還有其他幾個特點可能會導致對焦變化並導致overlay誤差,包括由於曝光過程中發熱和熱效應所導致的光罩形變。

Overlay對準方案

EUVL的好處之一是它減少了製程的複雜程度,需要使用193i曝光儀多重曝光技術的pattern間距可以在EUV曝光儀中採用單次曝光來製造,這成就了更簡單的pattern對準方案,更少的overlay步驟和放寬overlay精準度要求。但是,可以預計EUVL的overlay挑戰並不會變得更輕鬆,相反,新的挑戰將會出現:雖然overlay步驟減少,但這種優勢將被更多的sampling要求所抵消,這是由於熱效應和對焦變化等變化源導致的intra-field effects所致。

隨機指標

隨機雜訊引起的line edge roughness(LER)是EUVL的首要問題之一,高LER影響所有量測的準確性,包括overlay誤差測量。雖然LER影響所有overlay測量技術,但對於以SEM為基礎的overlay測量,高LER可能需要測量multiple edges以獲得有效的統計,這將增加所需overlay target的大小。

Overlay測量技術

有兩種主要測量技術用於overlay測量:imaging和scatterometry測量。一般來說,scatterometry測量為overlay誤差的測量提供了更高的精準度,而且imaging測量則不易受到製程變化的影響。在包括EUVL在內,任何轉型技術的早期發展階段會隨著製程表徵和製程流程的最佳化,發生很多變化,因此,在開發過程中,imaging-based的overlay測量被廣泛使用。隨著EUVL從開發轉向量產,並且製程逐漸穩定下來,overlay測量可能會轉移到scatterometry測量,從而獲益於更高精準度的量產overlay控制。

另一個需要考慮的因素是目前的overlay測量技術對於EUV光阻劑進行測量的有效性,與193i光阻劑相比,EUV採用不同材料的光阻劑並且更薄的堆疊。最新一代的imaging和scatterometry測量的overlay測量系統具有強大的測量靈活性,並結合了一系列波長、極化和其他創新技術,可以測量各種製程層和微影堆疊。使用imaging和scatterometry測量的overlay測量系統的EUV層,在早期表徵已經顯現出優良的性能,對於薄EUV光阻的overlay沒有量測問題。

總述

EUV微影技術的轉移降低了與193i多重pattern化技術相關的一些overlay複雜性,同時也帶來新的複雜因素:需要mix-and-match overlay、stray light的熱效應、光罩telecentricity所產生的對焦變化、LER引起的問題,以及對薄光阻的測量需求。